实验五存储管理常用页面置换算法模拟实验

大理大学课程教案（实验教学）课程名称：操作系统课程类型：（1）1、必修；2、选修；3、其它授课对象：计算机科学与技术专业（本）2013级1、2班授课时间：2015至2016学年2学期计划学时：48学时（其中：理论32，实验：16）任课教师：曾新所属学院：数学与计算机学院课程管理部门（教研室）：硬件教研室大理大学教务处制大理大学课程教案（教学要求）第1页课程名称：操作系统教材：计算机操作系统教程（第3版）、清华大学出版社授课人：曾新专业技术职务：助教学历：研究生学位：硕士实验题目：存储管理常用页面置换算法模拟实验计划学时：6实验类型：（2）1、演示性2、验证性3、综合性4、设计性每组实验的学生人数：2人教学目的和要求：1、通过模拟实现请求页式存储管理的几种基本页面置换算法，了解虚拟存储技术的特点，掌握虚拟存储请求页式存储管理中几种基本页面置换算法的基本思想和实现过程。2、做图分析并比较各种算法的效率实验方法（包括实验中需要注意的问题等）：1、给出操作内容要求学生自己动手完成2、注意程序的输入并分析运行结果实验重点（主要解决的问题和达到的目的）：1、存储管理常用页面置换算法模拟实验的实现过程2、各种算法的效率分析与比较实验难点（预计实验过程中会遇到的问题和解决方案）：1、存储管理常用页面置换算法模拟实验的实现过程2、实验结果的分析教学方法（实验前的教学和实验过程中的指导方法）：以学生自己查阅资料为主，教师辅导为辅。实验仪器和材料：计算机并安装有RedHatLinux9.0操作系统。实验报告要求和思考题：认真填写实验报告并根据讲义完成思考题参考资料：《计算机操作系统教程（第3版）习题解答与实验指导》、清华大学出版社大理大学课程教案（教学内容）第2页一、实验内容设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下述算法计算访问命中率。1、最佳淘汰算法（OPT）2、先进先出的算法（FIFO）3、最近最久未使用算法（LRU）4、最不经常使用算法（LFU）5、最近未使用算法（NUR）命中率＝（１－页面失效次数）／页地址流长度二、实验步骤本实验的程序设计基本上按照实验内容进行。即首先用srand()和rand()函数定义和产生指令序列，然后将指令序列变换成相应的页地址流，并针对不同的算法计算出相应的命中率。（1）通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：A：50%的指令是顺序执行的B：25%的指令是均匀分布在前地址部分C：25%的指令是均匀分布在后地址部分具体的实施方法是：A：在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点mB：顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令C：在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为m’D：顺序执行一条指令，其地址为m’+1E：在后地址[m’+2，319]中随机选取一条指令并执行F：重复步骤A-E，直到320次指令（2）将指令序列变换为页地址流设：页面大小为1K；用户内存容量4页到32页；用户虚存容量为32K。在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：第0条-第9条指令为第0页（对应虚存地址为[0，9]）第10条-第19条指令为第1页（对应虚存地址为[10，19]）………………………………第310条-第319条指令为第31页（对应虚存地址为[310，319]）第1部分WindowsXP大理大学课程教案（教学内容）第3页按以上方式，用户指令可组成32页。参考程序：#defineTRUE1#defineFALSE0#defineINVALID-1#defineNULL0#definetotal_instruction320/*指令流长*/#definetotal_vp32/*虚页长*/#defineclear_period50/*清0周期*/typedefstruct/*页面结构*/{intpn,pfn,counter,time;}pl_type;pl_typepl[total_vp];/*页面结构数组*/structpfc_struct{/*页面控制结构*/intpn,pfn;structpfc_struct*next;};typedefstructpfc_structpfc_type;pfc_typepfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;intdiseffect,a[total_instruction];intpage[total_instruction],offset[total_instruction];intinitialize(int);intFIFO(int);intLRU(int);intLFU(int);大理大学课程教案（教学内容）第4页intNUR(int);intOPT(int);intmain(){ints,i,j;srand(10*getpid());/*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/s=(float)319*rand()/32767/32767/2+1;//for(i=0;itotal_instruction;i+=4)/*产生指令队列*/{if(s0||s319){printf(Wheni==%d,Error,s==%d\n,i,s);exit(0);}a[i]=s;/*任选一指令访问点m*/a[i+1]=a[i]+1;/*顺序执行一条指令*/a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767/32767/2;/*执行前地址指令m'*/a[i+3]=a[i+2]+1;/*顺序执行一条指令*/s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/32767/2+a[i+2]+2;if((a[i+2]318)||(s319))printf(a[%d+2],anumberwhichis:%dands==%d\n,i,a[i+2],s);}for(i=0;itotal_instruction;i++)/*将指令序列变换成页地址流*/{page[i]=a[i]/10;offset[i]=a[i]%10;}for(i=4;i=32;i++)/*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/{大理大学课程教案（教学内容）第5页printf(---%2dpageframes---\n,i);FIFO(i);LRU(i);LFU(i);NUR(i);OPT(i);}return0;}intinitialize(total_pf)/*初始化相关数据结构*/inttotal_pf;/*用户进程的内存页面数*/{inti;diseffect=0;for(i=0;itotal_vp;i++){pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID;/*置页面控制结构中的页号，页面为空*/pl[i].counter=0;pl[i].time=-1;/*页面控制结构中的访问次数为0，时间为-1*/}for(i=0;itotal_pf-1;i++){pfc[i].next=&pfc[i+1];pfc[i].pfn=i;}/*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/pfc[total_pf-1].next=NULL;pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;freepf_head=&pfc[0];/*空页面队列的头指针为pfc[0]*/return0;}大理大学课程教案（教学内容）第6页intFIFO(total_pf)/*先进先出算法*/inttotal_pf;/*用户进程的内存页面数*/{inti,j;pfc_type*p;initialize(total_pf);/*初始化相关页面控制用数据结构*/busypf_head=busypf_tail=NULL;/*忙页面队列头，队列尾链接*/for(i=0;itotal_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/{diseffect+=1;/*失效次数*/if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/{p=busypf_head-next;pl[busypf_head-pn].pfn=INVALID;freepf_head=busypf_head;/*释放忙页面队列的第一个页面*/freepf_head-next=NULL;busypf_head=p;}p=freepf_head-next;/*按FIFO方式调新页面入内存页面*/freepf_head-next=NULL;freepf_head-pn=page[i];pl[page[i]].pfn=freepf_head-pfn;if(busypf_tail==NULL)busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else{busypf_tail-next=freepf_head;/*free页面减少一个*/busypf_tail=freepf_head;}freepf_head=p;大理大学课程教案（教学内容）第7页}}printf(FIFO:%6.4f\n,1-(float)diseffect/320);return0;}intLRU(total_pf)/*最近最久未使用算法*/inttotal_pf;{intmin,minj,i,j,present_time;initialize(total_pf);present_time=0;for(i=0;itotal_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/{min=32767;for(j=0;jtotal_vp;j++)/*找出time的最小值*/if(minpl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID){min=pl[j].time;minj=j;}freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];//腾出一个单元pl[minj].pfn=INVALID;pl[minj].time=-1;freepf_head-next=NULL;}pl[page[i]].pfn=freepf_head-pfn;//有空闲页面,改为大理大学课程教案（教学内容）第8页有效pl[page[i]].time=present_time;freepf_head=freepf_head-next;//减少一个free页面}elsepl[page[i]].time=present_time;//命中则增加该单元的访问次数present_time++;}printf(LRU:%6.4f\n,1-(float)diseffect/320);return0;}intNUR(total_pf)/*最近未使用算法*/inttotal_pf;{inti,j,dp,cont_flag,old_dp;pfc_type*t;initialize(total_pf);dp=0;for(i=0;itotal_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/{cont_flag=TRUE;old_dp=dp;while(cont_flag)if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)cont_flag=FALSE;else{dp++;if(dp==total_vp)dp=0;大理大学课程教案（教学内容）第9页if(dp==old_dp)for(j=0;jtotal_vp;j++)pl[j].counter=0;}freepf_head=&pfc[pl[dp].